Señales y sistemas: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Convolución y sistemas LTI

Convolución discreta
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Convolución continua
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Longitud y suma
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Inicio, final y área
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Escalón sobre e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistema de primer orden
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Recursión de primer orden
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoide a través de h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes de la serie de Fourier
cuadrada ±A: 4A/(kπ), k impar; triangular ±A: 8A/(π²k²), k impar; tren de pulsos: A·D y (2A/(kπ))|sin kπD|

Método

  1. Dibuja ambas señales y anota dónde es distinta de cero cada una.
  2. Invierte h y deslízala: para cada instante de salida, halla el rango donde ambas señales se solapan.
  3. Multiplica y suma (discreto) o multiplica e integra (continuo) solo en ese solapamiento.
  4. Comprueba el resultado: la salida empieza en la suma de los instantes iniciales, termina en la suma de los instantes finales, y su área o suma es el producto de las áreas o sumas de las entradas.

2Problemas de práctica

1.Convolución y sistemas LTIMedia
x(t)t−10h(t)t13

La señal x(t) es distinta de cero solo entre t = −1 s y t = 0 s, y h(t) solo entre t = 1 s y t = 3 s. Halla la duración D de y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: −1 … 0 sh: 1 … 3 s
D = s
2.Convolución y sistemas LTIDifícil
2cos(15t)h(t) = 5e−5t​u(t)y(t)

La entrada x(t) = 2·cos(15t) se aplica a un sistema con h(t) = 5·e−5tu(t). Halla la fase φ de la salida en régimen permanente respecto a la entrada, en grados.

h(t) = 5e−5tu(t)x(t) = 2cos(15t)
φ = °
3.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−5−10−15−20−25−30−35

Halla f(t) para F(s) = (s + 31)/(s² + 4s + 5) completando el cuadrado, y evalúa f(0,8).

F(s) = (s + 31)/(s² + 4s + 5)t = 0,8 s
f(0.8) =
4.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Un sistema cumple y″ + 8y′ + 15y = 7,5·u(t). Parte del reposo (y(0) = 0, y′(0) = 0) y la entrada es un escalón u(t) = 5 para t ≥ 0. Usa la transformada de Laplace para hallar la salida y(0,25).

y″ + 8y′ + 15y = 7,5·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 19,5/(s² + 10s + 39) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 19,5/(s² + 10s + 39)
%OS = %
6.Respuesta al escalónDifícil
+−5 VR = 316 ΩL = 100 mHC = 1 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 316 Ω, L = 100 mH y C = 1 µF se conecta a un escalón de 5 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla la tensión máxima del condensador vC,max.

R = 316 ΩL = 100 mHC = 1 µFV = 5 V
vC,max = V
7.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 5

Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 5054/((s + 14)(s + 19)) en ω = 5 rad/s, en dB.

G(s) = 5054/((s + 14)(s + 19))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 200/(s(s + 5)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 200/(s(s + 5))
PM = °

3Disoluciones

1.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: D = 3 s

Convolución continua: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Invierte h, desplázala hasta la posición t e integra el producto de las partes que se solapan. Para señales causales la integral va de 0 a t. Resultados útiles: el área de y es el área de x por el área de h; si x dura de t₁ a t₂ y h de t₃ a t₄, y dura de t₁ + t₃ a t₂ + t₄. Para h(t) = e−atu(t) y un escalón de altura A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Inicio y final

tstart = −1 + 1 = 0 s
tend = 0 + 3 = 3 s

Respuesta

D = 3 s

Respuesta

D = 3 s
2.Convolución y sistemas LTI

Respuesta: φ = −71,57 °

Respuesta al impulso y serie de Fourier: la respuesta al impulso h(t) describe por completo un sistema LTI: para y′ + a·y = b·x es h(t) = b·e−atu(t), y para y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] es h[n] = b·aⁿu[n]. Una sinusoide cos ωt pasa con ganancia |H(jω)| y fase ∠H(jω), donde H es la transformada de Fourier de h. Una señal periódica es una suma de armónicos a k/T: una onda cuadrada de ±A tiene solo armónicos impares con amplitudes 4A/(kπ), una onda triangular de pico A tiene 8A/(π²k²), y un tren de pulsos de altura A y ciclo de trabajo D tiene el valor medio A·D y los armónicos (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Respuesta en frecuencia

H(jω) = 5/(5 + jω)

Fase a la frecuencia de entrada

φ = −atan(15/5) = −71,57°

Respuesta

φ = −71,57°
3.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.8) = 4,341

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Completar el cuadrado

s² + 4s + 5 = (s + 2)² + 1 = (s + 2)² + 1²

Igualar el numerador

F(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 1²) + (29/1)·1/((s + 2)² + 1²)

Transformada inversa

f(t) = e−2t·(cos 1t + 29·sin 1t)
f(0,8) = e−2·0,8·(cos(1·0,8) + 29·sin(1·0,8)) = 4,341

Respuesta

f(0,8) = 4,341
4.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.25) = 0,6221

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transforma la ecuación

Y(s) = 37,5/(s(s + 3)(s + 5))

Fracciones parciales

A = 37,5/(3·5) = 2,5
B = 37,5/((−3)·2) = −6,25
C = 37,5/((−5)·(−2)) = 3,75

Pérdidas

y(t) = 2,5 − 6,25·e−3t + 3,75·e−5t
y(0,25) = 0,6221

Respuesta

y(0,25) = 0,6221
5.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 1,502 %

Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).

Compara con la forma estándar

El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 39 → ωₙ = 6,245 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6,245) = 0,8006

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−4,198 = 1,502 %

Respuesta

%OS = 1,502 %
6.Respuesta al escalón

Respuesta: vC,max = 5,817 V

Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·1 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (316/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,1) = 0,4996

Resultado

%OS = 16,33 %
vC,max = 5·(1 + 0,1633) = 5,817 V

Respuesta

vC,max = 5,817 V
7.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |G(jω)| = 24,76 dB

Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.

Multiplica los módulos

|G(j5)| = 5054/(√(5² + 14²)·√(5² + 19²)) = 5054/(14,87·19,65) = 17,3

Resultado

20·log₁₀(17,3) = 24,76 dB

Respuesta

|G(jω)| = 24,76 dB
8.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 20,04 °

Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.

Cruce de ganancia

ω⁴ + 25ω² − 40000 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·40000))/2 = 187,9
ωc = 13,71 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(13,71/5) = −160°
PM = 180° + ∠L = 20,04°

Respuesta

PM = 20,04°

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